ÉTAT SOLIDE: CARACTÉRISTIQUES, PROPRIÉTÉS, TYPES, EXEMPLES - SCIENCE - 2025

L' état solide est l'un des principaux moyens par lesquels la matière s'agrège pour créer des corps condensés ou solides. La croûte terrestre entière, laissant de côté les mers et les océans, est un conglomérat hétéroclite de solides. Des exemples d'objets à l'état solide sont un livre, une pierre ou des grains de sable.

Nous pouvons interagir avec les solides grâce à la répulsion de nos électrons avec ceux de leurs atomes ou molécules. Contrairement aux liquides et aux gaz, tant qu'ils ne sont pas gravement toxiques, nos mains ne peuvent pas les traverser, mais plutôt les émietter ou les absorber.

La statue en bois de ce cheval est faite de polymères naturels fortement cohésifs. Source: Pxhere.

Les solides sont généralement beaucoup plus faciles à manipuler ou à stocker qu'un liquide ou un gaz. À moins que ses particules ne soient finement divisées, un courant de vent ne le transportera pas dans d'autres directions; ils sont fixés dans l'espace défini par les interactions intermoléculaires de leurs atomes, ions ou molécules.

Concept solide

Le solide est un état de la matière dans lequel il existe un volume et une forme rigides; les particules qui forment des matériaux ou des objets à l'état solide sont fixées en un seul endroit, elles ne sont pas facilement compressibles.

Cet état de la matière est le plus varié et le plus riche en chimie et en physique. Nous avons des solides ioniques, métalliques, atomiques, moléculaires et covalents, chacun avec sa propre unité structurelle; c'est-à-dire avec ses propres cristaux. Lorsque leur mode d'agrégation ne leur permet pas d'établir des structures internes ordonnées, ils deviennent amorphes et complexes.

L'étude de l'état solide converge vers la conception et la synthèse de nouveaux matériaux. Par exemple, le bois, un solide naturel, a également été utilisé comme matériau ornemental et pour la construction de maisons.

D'autres matériaux solides permettent la fabrication d'automobiles, d'avions, de navires, de vaisseaux spatiaux, de réacteurs nucléaires, d'articles de sport, de batteries, de catalyseurs et de nombreux autres objets ou produits.

Caractéristiques générales des solides

Ressort et bois, composants d'un étrier, exemple de solide

Les principales caractéristiques des solides sont:

-Ils ont défini la masse, le volume et les formes. Un gaz, par exemple, n'a pas de fin ni de début, car ceux-ci dépendent du conteneur qui le stocke.

-Ils sont très denses. Les solides ont tendance à être plus denses que les liquides et les gaz; bien qu'il existe quelques exceptions à la règle, en particulier lors de la comparaison des liquides et des solides.

-Les distances qui séparent ses particules sont courtes. Cela signifie qu'ils sont devenus très cohésifs ou compactés dans leur volume respectif.

-Ses interactions intermoléculaires sont très fortes, sinon elles n'existeraient pas en tant que telles et fondraient ou se sublimeraient dans des conditions terrestres.

Différences entre les particules d'un solide, d'un liquide et d'un gaz

-La mobilité des solides est généralement assez limitée, non seulement d'un point de vue matériel, mais aussi moléculaire. Ses particules sont confinées dans une position fixe, où elles ne peuvent que vibrer, mais pas se déplacer ou tourner (en théorie).

Propriétés

Point de fusion

Tous les solides, à moins qu'ils ne soient décomposés dans le processus, et qu'ils soient ou non de bons conducteurs de chaleur, peuvent passer à l'état liquide à une certaine température: leur point de fusion. Lorsque cette température est atteinte, ses particules parviennent enfin à s'écouler et à s'échapper de leurs positions fixes.

Ce point de fusion dépendra de la nature du solide, de ses interactions, de la masse molaire et de l'énergie du réseau cristallin. En règle générale, les solides ioniques et les réseaux covalents (tels que le diamant et le dioxyde de silicium) ont tendance à avoir les points de fusion les plus élevés; tandis que les solides moléculaires, le plus bas.

L'image suivante montre comment un glaçon (à l'état solide) se transforme en un état liquide:

Stoechiométrie

Une grande partie des solides sont moléculaires, car ce sont des composés dont les interactions intermoléculaires leur permettent de se fusionner de cette manière. Cependant, beaucoup d'autres sont ioniques ou partiellement ioniques, de sorte que leurs unités ne sont pas des molécules, mais des cellules: un ensemble d'atomes ou d'ions disposés de manière ordonnée.

C'est ici que les formules de tels solides doivent respecter la neutralité des charges, indiquant leur composition et leurs relations stoechiométriques. Par exemple, le solide dont la formule hypothétique est A ₂ B ₄ O ₂ indique qu'il a le même nombre d'atomes A que O (2: 2), alors qu'il a deux fois le nombre d'atomes B (2: 4).

Notez que les indices de la formule A ₂ B ₄ O ₂ sont des nombres entiers, ce qui montre qu'il s'agit d'un solide stoechiométrique. La composition de nombreux solides est décrite par ces formules. Les charges sur A, B et O doivent s'additionner à zéro, sinon il y aurait une charge positive ou négative.

Pour les solides, il est particulièrement utile de savoir interpréter leurs formules car, généralement, les compositions des liquides et des gaz sont plus simples.

Les défauts

Les structures des solides ne sont pas parfaites; ils présentent des imperfections ou des défauts, aussi cristallins soient-ils. Ce n'est pas le cas des liquides, ni des gaz. Il n'y a pas de régions d'eau liquide dont on puisse dire à l'avance qu'elle est "disloquée" de leur environnement.

De tels défauts sont responsables du fait que les solides sont durs et cassants, présentent des propriétés telles que la pyroélectricité et la piézoélectricité, ou cessent d'avoir des compositions définies; c'est-à-dire qu'il s'agit de solides non stoechiométriques (par exemple A _0,4 B _1,3 O _0,5).

Réactivité

Les solides sont généralement moins réactifs que les liquides et les gaz; mais pas à cause de causes chimiques, mais au fait que leurs structures empêchent les réactifs d'attaquer les particules à l'intérieur d'eux, réagissant d'abord avec celles qui se trouvent à leur surface. Par conséquent, les réactions impliquant des solides ont tendance à être plus lentes; à moins qu'ils ne soient pulvérisés.

Lorsqu'un solide est sous forme de poudre, ses particules plus petites ont une plus grande surface ou surface pour réagir. C'est pourquoi les solides fins sont souvent qualifiés de réactifs potentiellement dangereux, car ils peuvent s'enflammer rapidement ou réagir vigoureusement au contact d'autres substances ou composés.

Souvent, les solides sont dissous dans un milieu réactionnel pour homogénéiser le système et effectuer une synthèse avec un rendement plus élevé.

Physique

A l'exception du point de fusion et des défauts, ce qui a été dit jusqu'à présent correspond plus aux propriétés chimiques des solides qu'à leurs propriétés physiques. La physique des matériaux est profondément focalisée sur la manière dont la lumière, le son, les électrons et la chaleur interagissent avec les solides, qu'ils soient cristallins, amorphes, moléculaires, etc.

C'est là qu'intervient ce que l'on appelle les solides plastiques, élastiques, rigides, opaques, transparents, supraconducteurs, photoélectriques, microporeux, ferromagnétiques, isolants ou semi-conducteurs.

En chimie, par exemple, les matériaux qui n'absorbent pas les rayons ultraviolets ou la lumière visible sont intéressants, car ils sont utilisés pour réaliser des cellules de mesure pour spectrophotomètres UV-Vis. Il en va de même avec le rayonnement infrarouge, lorsque l'on souhaite caractériser un composé en obtenant son spectre IR, ou étudier la progression d'une réaction.

L'étude et la manipulation de toutes les propriétés physiques des solides nécessitent un énorme dévouement, ainsi que leur synthèse et leur conception, en choisissant des «morceaux» de construction inorganique, biologique, organique ou organométallique pour de nouveaux matériaux.

Types et exemples

Puisqu'il existe plusieurs types de solides chimiquement, des exemples représentatifs seront mentionnés séparément pour chacun.

Solides cristallins

D'une part, il existe des solides cristallins. Ces éléments sont caractérisés parce que les molécules qui les composent sont configurées de la même manière, qui se répète comme un motif dans tout le cristal. Chaque modèle est appelé une cellule unitaire.

Les solides cristallins sont également caractérisés en ce qu'ils ont un point de fusion défini; Cela signifie que, compte tenu de l'uniformité de la disposition de ses molécules, il y a la même distance entre chaque maille élémentaire, ce qui permet à toute la structure de se transformer constamment à la même température.

Des exemples de solides cristallins peuvent être le sel et le sucre.

Solides amorphes

Les solides amorphes se caractérisent par le fait que la conformation de leurs molécules ne répond pas à un motif, mais varie sur toute la surface.

Puisqu'il n'y a pas un tel modèle, le point de fusion des solides amorphes n'est pas défini, contrairement aux solides cristallins, ce qui signifie qu'il fond progressivement et à différentes températures.

Des exemples de solides amorphes peuvent être le verre et la plupart des plastiques.

Ionique

Les solides ioniques se caractérisent par la présence de cations et d'anions, qui interagissent les uns avec les autres par attraction électrostatique (liaison ionique). Lorsque les ions sont petits, les structures résultantes sont généralement toujours cristallines (compte tenu de leurs défauts). Parmi certains solides ioniques, nous avons:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^-), chlorure de sodium

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), oxyde de magnésium

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2-), carbonate de calcium

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), sulfate de cuivre

-KF (K ⁺ F ^-), fluorure de potassium

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^-), chlorure d'ammonium

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), sulfure de zinc

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃, benzoate de fer

Métallique

Comme leur nom l'indique, ce sont des solides qui ont des atomes métalliques interagissant à travers la liaison métallique:

-Argent

-Or

-Plomb

-Laiton

-Bronze

-Or blanc

-Étain

-Aciers

-Duralumin

Notez que les alliages comptent également comme des solides métalliques, bien sûr.

Atomique

Les solides métalliques sont également atomiques, car en théorie, il n'y a pas de liaisons covalentes entre les atomes métalliques (MM). Cependant, les gaz rares comptent essentiellement comme des espèces atomiques, car seules les forces de dispersion de Londres prédominent parmi eux.

Par conséquent, bien qu'ils ne soient pas des solides d'application élevée (et difficiles à obtenir), les gaz nobles cristallisés sont des exemples de solides atomiques; c'est-à-dire: hélium, néon, argon, krypton, etc., solides.

Moléculaire et polymérique

Les molécules peuvent interagir grâce aux forces de Van der Walls, où leurs masses moléculaires, leurs moments dipolaires, leurs liaisons hydrogène, leurs structures et leurs géométries jouent un rôle important. Plus ces interactions sont fortes, plus elles sont susceptibles de se présenter sous forme solide.

Par contre, le même raisonnement s'applique aux polymères qui, en raison de leurs masses moléculaires moyennes élevées, sont presque toujours des solides, et plusieurs d'entre eux sont amorphes; depuis, ses unités polymères ont du mal à s'organiser proprement pour créer des cristaux.

Ainsi, nous avons parmi certains solides moléculaires et polymères les suivants:

-Glace sèche

-Sucre

-Iode

-Acide benzoique

-Acétamide

-Souffre rhombique

-L'acide palmitique

-Fullerenos

-Rencontre

-Caféine

-Naphtaline

-Bois et papier

-Soie

-Téflon

-Polyéthylène

-Kevlar

-Bakélite

-Chlorure de polyvinyle

-Polystyrène

-Polypropylène

-Protéines

-Barre de chocolat

Réseaux covalents

Enfin, nous avons les réseaux covalents entre les solides à point de fusion le plus dur et le plus élevé. Quelques exemples sont:

-Graphite

-Diamant

-Quartz

-Carbure de silicium

-Nitrure de bore

-Phosphure d'aluminium

-Arséniure de gallium

Références

1. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck et Stanley. (2008). Chimie (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
3. Wikipédia. (2019). Chimie du solide. Récupéré de: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Chimie du solide. ScienceDirect. Récupéré de: sciencedirect.com
5. Dr Michael Lufaso. (sf). Notes de cours sur la chimie du solide. Récupéré de: unf.edu
6. askIITians. (2019). Caractéristiques générales de l'état solide. Récupéré de: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Comment les atomes et les molécules forment des solides: motifs et cristaux. Étude. Récupéré de: study.com